802.11g核心技術和協議測試報告

IEEE802.11工作組近年來開始定義新的物理層標準IEEE802.11ｇ。與以前的IEEE802.11協議標準相比，IEEE802.11ｇ草案有以下兩個特點：在2．4 GHz頻段使用正交頻分復用（OFDM）調制技術，使數據傳輸速率提高到20 Mbit/s以上；能夠與IEEE802.11ｂ的Wi-Fi系統互聯互通，可共存于同一AP的網絡里，從而保障了后向兼容性。這樣原有的WLAN系統可以平滑地向高速WLAN過渡，延長了IEEE802．11b產品的使用壽命，降低了用戶的投資。2003年7月IEEE802.11工作組批準了IEEE802.11ｇ草案，該標準成為人們關注的新焦點。
　　
　　IEEE802.11 WLAN實現的關鍵技術
　　
　　隨著WLAN技術的應用日漸廣泛，用戶對數據傳輸速率的要求越來越高。但是在室內這個較為復雜的電磁環境中，多經效應、頻率選擇性衰落和其它干擾源的存在使得無線信道中高速數據傳輸的實現比有線信道困難，因此WLAN需要采用合適的調制技術。
　　
　　IEEE802．11 WLAN是一種能支持較高數據傳輸速率（1～54 Mbit/s），采用微蜂窩、微微蜂窩結構，自主管理的計算機局域網絡。其關鍵技術大致有3種，直序列擴頻調制技術(DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum)及補碼鍵控(CCK：Complementary Code Keying)技術、包二進制卷積(PBCC：Packet Binary Convolutional Code)和正交頻分復用技術OFDM：Orthogonal Frequency Division Mustiplexing。每種技術皆有其特點，目前擴頻調制技術正成為主流，而OFDM技術由于其優越的傳輸性能成為人們關注的新焦點。
　　
　　1．DSSS調制技術
　　
　　基于DSSS的調制技術有3種。最初IEEE802．11標準制定在1 Mbit/s數據速率下采用差分二相相移鍵控(DBPSK: Differential Binary Phase Shift Keying)。如果要提供2 Mbit/s的數據速率，可采用差分正交相移鍵控(DQPSK: Differential Quadrature Phase Shift Keying)，這種方法每次處理兩個比特碼元，成為雙比特。第三種是基于CCK的ＱPSK，是IEEE802.11ｂ標準采用的基本數據調制方式。它采用了補碼序列與直序列擴頻技術，是一種單載波調制技術，通過相移鍵控（PSK）方式傳輸數據，傳輸速率分為1，2，5．5和11 Mbit/s。CCK通過與接收端的Pake接收機配合使用，能夠在高效率傳輸數據的同時有效克服多徑效應。IEEE802.11ｂ通過使用CCK調制技術來提高數據傳輸速率，最高可達11 Mbit/s。但是當傳輸速率超過11 Mbit/s，CCK為了對抗多徑干擾，需要更復雜的均衡及調制，實現起來非常困難。因此，IEEE802.11工作組為了推動WLAN的發展，又引入了新的調制技術。
　　
　　2．PBCC調制技術
　　
　　PBCC調制技術是由德州儀器（TI）公司提出的，已作為IEEE802.11ｇ的可選項被采納。PBCC也是單載波調制，但與CCK不同，它采用了更多復雜的信號星座圖。PBCC采用8PSK，而CCK使用ＢPSK/QPSK；另外PBCC使用了卷積碼，而CCK使用區塊碼。因此，它們的解調過程是十分不同的。PBCC可以完成更高速率的數據傳輸，其傳輸速率為11，22，33Mbit/s。
　　
　　3．OFDM技術
　　
　　OFDM技術其實是多載波調制(MCM: Multi-Carrier Modulation)的一種。其主要思想是：將信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。
　　
　　由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減少了子載波間的相互干擾，同時還提高了頻譜利用率。在各個子信道中的這種正交調制和解調可以采用反向快速傅里葉變換（IFFT）和快速傅里葉變換（FFT）方法來實現，隨著大規模集成電路技術與DSP技術的發展，IFFT和FFT都是非常容易實現的。FFT的引入，大大降低了OFDM實現的復雜性，提升了系統的性能。
　　
　　無線數據業務一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸的數據量要遠遠大于上行鏈路中的數據傳輸量。因此無論從用戶高速數據傳輸業務的需求，還是從無線通信自身來考慮，都希望物理層支持非對稱高速數據傳輸，而OFDM很容易通過使用不同數量的子信道來實現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。
　　
　　由于無線信道存在頻率選擇性，所有的子信道不會同時處于比較深的衰落情況中，因此可以通過動態比特分配以及動態子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，從而提升系統性能。由于窄帶干擾只能影響一小部分子載波，因此OFDM系統在某種程度上能抵抗這種干擾。
　　
　　OFDM技術有非常廣闊的發展前景，已成為第四代移動通信的核心技術。IEEE802．11ａ/ｇ標準為了支持高速數據傳輸都采用了OFDM調制技術。目前，OFDM結合時空編碼、分集、干擾〔包括碼間干擾（ISI）和信道間干擾（ICI）〕抑制以及智能天線技術，最大程度提高了物理層的可靠性。如再結合自適應調制、自適應編碼以及動態子載波分配、動態比特分配算法等技術，可以使其性能得到進一步優化。
　　
　　4．IEEE802.11ｇ協議幀結構及其技術細節
　　
　　從網絡邏輯結構上來看，IEEE802．11只定義了物理層及MAC子層。MAC層提供對共享無線介質的競爭使用和無競爭使用，具有無線介質訪問、網絡連接、數據驗證和保密等功能。
　　
　　物理層為數據鏈路層提供物理連接，實現比特流的透明傳輸，所傳數據單位為比特。物理層定義了通信設備與接口硬件的機械、電氣功能和過程的特性，用以建立、維持和釋放物理連接。　　物理層由三部分組成：物理層管理層、物理層會聚協議（PLCP）和物理介質依賴子層（PMD）。
　　
　　IEEE802.11ｇ的物理幀結構分為前導信號（Preamble）、信頭Header和負載Payload。Preamble主要用于確定移動臺和接入點之間何時發送和接收數據，傳輸進行時告知其它移動臺以免沖突，同時傳送同步信號及幀間隔。Preamble完成，接收方才開始接收數據。Header在Preamble之后?用來傳輸一些重要的數據比如負載長度、傳輸速率、服務等信息。由于數據率及要傳送字節的數量不同，Payload的包長變化很大，可以十分短也可以十分長。
　　
　　在一幀信號的傳輸過程中，Preamble和Header所占的傳輸時間越多，Payload用的傳輸時間就越少，傳輸的效率越低。
綜合上述3種調制技術的特點，IEEE802.11ｇ采用了OFDM等關鍵技術來保障其優越的性能，分別對Preamble，Header，Payload進行調制，這種幀結構稱為OFDM/OFDM方式。
　　
　　另外，IEEE802.11ｇ草案標準規定了可選項與必選項，為了保障與IEEE802.11b兼容也可采用CCK/OFDM和CCK/PBCC的可選調制方式。因此，OFDM調制為必選項保障傳輸速率達到54Mbit/s；采用CCK調制作為必選保障后向兼容性；CCK/PBCC與CCK/OFDM作為可選項。
　　
　　IEEE802.11ｇ的幀結構比較見表1。　　
　　
　　
　　（1）OFDM/OFDM
　　
　　Preamble，Header和Payload都使用OFDM進行調制傳輸，其傳輸速率可達54 Mbit/s。OFDM的一個好特點是它有短的Preamble，CCK調制信號的幀頭是72μs，而OFDM調制信號的幀頭僅為16μs。幀頭是一個信號的重要組成部分，幀頭占有時間的減少，提高了信號傳送數據的能力。OFDM允許較短的Header給更多的時間用于傳輸數據，具有較高的傳輸效率。因此，對于11 Mbit/s的傳輸速率，CCK調制是一個好的選擇，但要繼續提升速率必須使用OFDM調制技術。它的最高傳輸速率可達54Mbit/s。IEEE802.11ｇ協議中的OFDM?OFDM方式也可以和Wi-Fi共存，不過它需使用RTS/CTS協議來解決沖突問題。
　　
　　（2）CCK/OFDM
　　
　　它是一種混合調制方式，是IEEE802.11ｇ的可選項。其Header和Preamble用CCK調制方式傳輸，OFDM技術傳送負載。由于OFDM技術和CCK技術是分離的，因此在Preamble和Payload之間要有CCK和OFDM的轉換。
　　
　　IEEE802.11ｇ用CCK/OFDM技術來保障與IEEE802.11ｂ共存。IEEE802.11ｂ不能解調OFDM格式的數據，所以難免會發生數據傳輸沖突，IEEE802.11ｇ使用CCK技術傳輸Header和Preamble就可以使IEEE802．11ｂ兼容，使其可以接收IEEE802.11ｇ的Header從而避免沖突。這樣保障了與IEEE802.11ｂ Wi-Fi設備的后向兼容性，但由于Preamble/Header使用CCK調制，增大了開銷，傳輸速率比OFDM?OFDM方式的有所下降。
　　
　　（3）CCK/PBCC
　　
　　CCK/PBCC和CCK/OFDM一樣，PBCC也是混合波形，包頭使用CCK調制而負載使用PBCC調制方式，這樣它可以工作于高速率上并與IEEE802.11ｂ兼容。PBCC調制技術最高數據傳輸速率是33 Mbit/s，比OFDM或CCK/OFDM的傳送速率低。
　　
　　IEEE802.11g的性能分析 　　尚未正式成為標準的IEEE802.11ｇ草案由于其不同的特點，成為人們關注的焦點。IEEE802.11ｇ與IEEE802.11ｂ的兼容性，與同頻設備的共存能力及OFDM技術自身的問題將成為研究熱點。
　　
　　1．IEEE802.11ｇ的兼容性
　　
　　IEEE802.11ｇ兼容性指的是IEEE802.11ｇ設備能和IEEE802.11ｂ設備在同一個AP節點網絡里互聯互通。IEEE802.11ｇ的一個最大特點就是要保障與IEEE802.11ｂ Wi-Fi系統兼容。IEEE802.11ｇ可以接收OFDM和CCK數據，但傳統的Wi-Fi系統只能接收CCK信息，這就產生了一個問題，即在兩者共存的環境中如何解決由于IEEE802.11ｂ不能解調OFDM格式信息幀頭所帶來的沖突問題。而為了解決上述問題，IEEE802.11ｇ采用了RTS/CTS技術。
　　
　　最初，IEEE802.11引入RTS/CTS機制是為了解決隱蔽站問題，即發送站檢測不到另一個站在發送數據，因而在接收站發生碰撞的情況。
　　
　　IEEE802.11ｂ與IEEE802.11ｇ混合工作的情況與隱蔽站問題非常相似，IEEE802.11ｂ設備無法接收OFDM格式的IEEE802.11ｇ的信息幀頭，因此可以采用RTS/CTS機制來解決。在IEEE802.11ｇ和IEEE802.11ｂ混合工作的環境中（即在同一AP服務區中既有IEEE802.11ｇ